陶瓷干法造粒機的數(shù)值模擬及其優(yōu)化設(shè)計

吳南星，廖達海，肖志鋒

（景德鎮(zhèn)陶瓷學院機械與電子工程學院，江西 景德鎮(zhèn) 333403）

陶瓷干法造粒機的數(shù)值模擬及其優(yōu)化設(shè)計

吳南星，廖達海，肖志鋒

（景德鎮(zhèn)陶瓷學院機械與電子工程學院，江西 景德鎮(zhèn) 333403）

陶瓷行業(yè)干法造粒制粉取代原有的高能耗、高污染濕式球磨-噴霧造粒制粉是社會生產(chǎn)發(fā)展所趨。本文針對陶瓷干法造粒機顆粒充分分散性問題，采用CFD軟件歐拉雙流體模型建立三維數(shù)學模型。利用有限體積法求解不同主軸偏心率與筒體傾斜角的模型，模擬出顆粒的體積分布大小，同時分析顆粒的團聚現(xiàn)象。模擬結(jié)果表明，當偏心率為-0.3、傾斜角為150時，顆粒的分散性最佳。該模擬優(yōu)化設(shè)計在一定程度上解決了干法造粒制粉顆粒的充分分散性問題，為陶瓷干法造粒機的研制具有一定的指導意義。

歐拉雙流體模型；數(shù)值模擬；充分分散性；優(yōu)化設(shè)計

0 引 言

目前陶瓷行業(yè)制粉主要采用的是濕式球磨-噴霧干燥工藝。該工藝技術(shù)應(yīng)用于制備陶瓷墻地磚壓形粉料，可以很好的滿足大噸位自動壓磚機的生產(chǎn)要求。但是，就該工藝相關(guān)統(tǒng)計可知，其產(chǎn)品的生產(chǎn)能耗占陶瓷生產(chǎn)成本的30～40%，并且排放大量的熱風熱氣、SO2、CO2及煙塵。從而導致巨大的能源浪費和環(huán)境污染。然而，近幾年來興起的干法造粒制粉技術(shù)可以從根本上解決陶瓷行業(yè)粉體制備方面的高能耗、高污染的問題[1]。

干法造粒制粉技術(shù)在國內(nèi)外陶瓷行業(yè)的發(fā)展中仍處于初步階段，要在廣大的陶瓷生產(chǎn)企業(yè)中得到應(yīng)用， 需要解決的技術(shù)難題比較多， 核心的問題主要集中在四個方面[2-6]：一是要徹底解決好真顆粒的充分分散性問題；二是要徹底解決假顆粒的成形壓縮比問題；三是要解決好坯料混色均勻及發(fā)色能力問題；四是要解決成套的、連續(xù)的生產(chǎn)裝備供應(yīng)問題。本文從有效顆粒的充分分散性問題出發(fā)，通過改變干法造粒機筒體傾斜角度及主軸偏心率，基于CFD軟件分析了干法造粒機在造粒的過程中顆粒的體積分布情況和顆粒團聚現(xiàn)象，從而在一定程度上優(yōu)化設(shè)計筒體傾斜角和主軸偏心率。

1 建模機理分析

筒體內(nèi)固體顆粒體積分數(shù)較大，且初始狀態(tài)顆粒的粒徑為0.013 mm，故固體顆粒物料可作擬流體相處理。結(jié)合空氣相，本文選用歐拉雙流體模型來模擬干法造粒機造粒過程。由陶瓷粉體物料性質(zhì)、造粒過程中氣固兩相運動特點，作如下假設(shè)：1）物料為等徑球形顆粒；2）忽略造粒過程中單個顆粒的體積變化；3）系統(tǒng)內(nèi)顆粒相與空氣相共存并相互滲透，具有各自的速度和體積分數(shù)，各參數(shù)在空間中具有連續(xù)的分布，并且顆粒相和空氣相分別采用質(zhì)量守恒方程和動量方程求解。

1.1 多相流模型

Fluent 模擬多相流的模型主要有VOF (volume of fluid) 模型、Mixture 混合模型和歐拉模型，三種模型分別應(yīng)用于不同的多相流體流動特性。本文選用歐拉模型，該模型基于分子動力學的顆粒動力學理論建立了顆粒相流體的控制方程，以顆粒的非彈性碰撞作為顆粒相能量的耗散方式，將顆粒流中顆粒的相互碰撞、摩擦以及其他能量的耗散方式都轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的粘度來考慮。相可以是液體、氣體、固體的幾乎是任意的組合[7]，每一相都采用 Eulerian 處理。故正好吻合本文研究的氣-固兩相流。其控制方程如下：

1）體積分數(shù)方程：

式中：q為顆粒相， 是q相的物理密度，為q相體脹系數(shù)。

2）質(zhì)量守恒方程：

3）動量守恒方程：

在本文模擬計算中，將空氣設(shè)置為主相，顆粒設(shè)置為第二相。

1.2 湍流模型

本文采用的是重組群

1.3 轉(zhuǎn)動模型

Fluent轉(zhuǎn)動模型主要有動參考系模型（MRF模型）、滑移網(wǎng)格模型和動網(wǎng)格模型。動參考系模型是將不同旋轉(zhuǎn)或移動速度的每個區(qū)域進行穩(wěn)態(tài)近似，由于攪拌模型邊界上流動區(qū)域幾乎都是均勻混合，故動參考系適合本文研究的攪拌模型；而滑移網(wǎng)格模型可以處理非定流問題，這是與動參考系模型最大區(qū)別，又由于本文研究的顆粒運動是非定常流問題，因此首先采用動參考系模型模擬，待收斂把穩(wěn)態(tài)的結(jié)果作為非穩(wěn)態(tài)的初始值，再改用滑移網(wǎng)格模型進行模擬，模擬結(jié)果將進一步接近實際運行情況；動網(wǎng)格模型用于模擬由于流域邊界運動引起流域形狀隨時間變化的流動情況，本文不選用此類模型模擬。

圖3-1 造粒示意圖Fig3-1 The schematic of granulation

2 模型建立

2.1 造粒模擬區(qū)域

圖3-1為干法造粒機造粒示意圖，顆粒在葉片、鉸刀和筒體的旋轉(zhuǎn)帶動下獲得造粒的效果。本文的模擬對象為筒體內(nèi)氣固兩相流及造粒過程。筒體內(nèi)徑為135 mm、高為270 mm，鉸刀直徑8 mm、高為28 mm，葉片厚度為8 mm。

2.2 物理模型與網(wǎng)格劃分

由葉片、鉸刀和筒體同時都在旋轉(zhuǎn)，故設(shè)置兩個動區(qū)域，一個靜區(qū)域[9]。本文分析了三種不同主軸偏心率在三種不同筒體傾斜角的物理模型，由于偏心率不同改變了網(wǎng)格的劃分，而傾斜角對網(wǎng)格的劃分不影響，故只需分別劃分三種不同偏心率的模型網(wǎng)格。其中圖3-3的網(wǎng)格數(shù)為1078162，圖3-5的網(wǎng)格數(shù)為1075213，圖3-7的網(wǎng)格數(shù)為1074950。如下圖為三種不同主軸偏心率e的物理模型圖和網(wǎng)格示意圖：

附表1 相關(guān)參數(shù)設(shè)置Tab.1 Related parameter settings

（1）當e1=0時，物理模型圖和網(wǎng)格示意圖(3-2～3-7)

（2）當e2=0.3時，物理模型圖和網(wǎng)格示意圖如下

（3）當e3=-0.3時，物理模型圖和網(wǎng)格示意圖如下

圖3-2 e1=0物理模型圖Fig.3 -2 he physical model of e1=0

圖3-3 e1=0 網(wǎng)格示意圖Fig.3 -3 The model grid of e1=0

圖3-4 e2=0.3物理模型圖Fig.3 -4 The physical model of e2=0.3

圖3-5 e2=0.3網(wǎng)格示意圖Fig.3 -5 The model grid of e2=0.3

圖3-6 e3=-0.3物理模型圖Fig.3 -6 The physical model of e3=-0.3

圖3-7 e3=-0.3網(wǎng)格示意圖Fig.3 -7 The model grid of e3=-0.3

2.3 數(shù)值解法與邊界條件

利用CFD軟件Fluent6.3.26對其進行數(shù)值模擬： 求解方法采用耦合隱式求解，時間依賴解采用非穩(wěn)態(tài)模型。在離散化格式中，壓力速度耦合插值采用Phase Coupled SIMPLE 算法，動量方程、體積分數(shù)、湍動能方程及湍動能耗散率都采用一階迎風格式。具體邊界設(shè)置如下（詳見附表1）：

（1）區(qū)域條件。動域1的轉(zhuǎn)速為1400 rmp(順時針)，動域2的轉(zhuǎn)速為84 rmp(逆時針)，靜域默認設(shè)定為靜止。

（2）邊界條件。葉片壁面、鉸刀壁面、筒體壁面、主軸上端軸（靜域）、主軸下端軸（動域1）都設(shè)置為wall，其中主軸上端軸設(shè)定轉(zhuǎn)速為1400 rmp(順時針)，其它設(shè)定為與臨近區(qū)域一起旋轉(zhuǎn)。

（3）出口邊界。出口按照湍流流動充分發(fā)展處理，采用自由出流，出口壓力為大氣壓。

（4）固壁邊界。壁面為無滑移邊界條件，默認壁面粗糙度為0.5，采用標準壁面函數(shù)法處理邊界湍流。

3 模擬結(jié)果分析

圖4-1 （α1=0）Fig.4 -1（α1=0）

圖4-2 （α2=15°）Fig.4 -2（α2=15）

圖4-3（α3=30°）Fig.4 -3（α3=30°）

圖4-4 （α1=0）Fig.4 -4（α1=0）

圖4-5（α2=15°）Fig.4 -5（α2=15°）

圖4-6（α3=30°）Fig.4 -6（α3=30°）

圖4-7 （α1=0）Fig.4 -7（α1=0）

圖4-8（α2=15°）Fig.4 -8 （α2=15°）

圖4-9（α3=30°）Fig.4 -9（α3=30°）

3.1 體積分布云圖分析

（1）當偏心率e1=0時，干法造粒過程中顆粒的體積分布情況和顆粒團聚現(xiàn)象如下云圖所示：

圖4-1、4-2顆粒的體積分布情況較好，而圖4-3顆粒在筒體的分布體積偏小，同時都存在比較多的顆粒團聚現(xiàn)象。

(2）當偏心率e2=0.3時，干法造粒過程中顆粒的體積分布情況和顆粒團聚現(xiàn)象如下云圖所示：

圖4-4、4-5、4-6顆粒的分布體積大小依次降低；圖4-4、4-5存在少數(shù)的顆粒團聚現(xiàn)象，而圖4-6顆粒的團聚現(xiàn)象尤為明顯。

(3）當偏心率e3=-0.3時，干法造粒過程中顆粒的體積分布情況和顆粒團聚現(xiàn)象如下云圖所示：

圖4-7、4-8、4-9顆粒的體積分布情況很好，但是圖4-9存在顆粒的溢出現(xiàn)象；圖4-7存在一定的顆粒團聚現(xiàn)象，而圖4-8幾乎不存在顆粒團聚現(xiàn)象。

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 主軸偏心率對攪拌效果的影響

當筒體傾斜角恒定不變時，通過改變主軸偏心率模擬干法造粒機在造粒的過程中顆粒的體積分布情況與顆粒團聚現(xiàn)象，分析主軸偏心率對顆粒分散性的影響，具體如下：

(1）當傾斜角 時，由圖4-1、4-4、4-7可知，體積分布情況大致相同。但圖4-1在筒體上端存在比較多的顆粒團聚現(xiàn)象，圖4-4、圖4-7在筒體下端也存在少量的顆粒團聚現(xiàn)象。模擬結(jié)果分析表明，當傾斜角 時，主軸偏心率對顆粒的體積分布情況影響不大，但是對顆粒的團聚現(xiàn)象影響還是較大，適當?shù)钠穆士梢詼p少顆粒的團聚現(xiàn)象發(fā)生。

(2）當傾斜角 時，由圖4-2、4-5、4-8可知，體積分布情況大致也是相同。但圖4-2在筒體上端存在比較多的顆粒團聚現(xiàn)象，圖4-5在筒體下端存在少量的顆粒團聚現(xiàn)象，而圖4-8在筒體內(nèi)幾乎不存在顆粒團聚現(xiàn)象。模擬結(jié)果分析表明，當傾斜角 時，主軸偏心率對顆粒的體積分布情況影響不大，但是對顆粒的團聚現(xiàn)象影響很大，恰當?shù)钠穆蕩缀蹩梢韵w粒的團聚現(xiàn)象發(fā)生。

（3）當傾斜角 時，由圖4-3、4-6、4-9可知，圖4-3、4-6顆粒體積分布情況較差，圖4-9顆粒體積分布情況較佳，但是存在顆粒溢出現(xiàn)象。圖4-3、4-6存在較多的顆粒團聚現(xiàn)象。模擬結(jié)果分析表明，當傾斜角 時，主軸偏心率對顆粒的體積分布情況影響很大，隨著偏心率的增大，顆粒的分布體積越小。相反，隨著偏心率的增大，顆粒的團聚現(xiàn)象越明顯。

3.2.2 筒體傾斜角對攪拌效果的影響

當主軸偏心率恒定不變時，通過改變筒體傾斜角模擬干法造粒機在造粒的過程中顆粒的體積分布情況與顆粒團聚現(xiàn)象，分析筒體傾斜角對顆粒分散性的影響，具體如下：

(1）當偏心率e1=0時，由圖4-1、4-2、4-3可知，顆粒分布體積大小依次減小。同樣，顆粒的團聚現(xiàn)象依次更明顯。模擬結(jié)果分析表明，當偏心率e1=0時，筒體傾斜角越大，顆粒的分布體積反而越小，而顆粒的團聚現(xiàn)象越明顯。

(2）當偏心率e2=0.3時，由圖4-4、4-5、4-6可知，顆粒分布體積大小依次銳減更大。同樣，顆粒的團聚現(xiàn)象也依次越發(fā)明顯。模擬結(jié)果分析表明，當偏心率e2=0.3時，筒體傾斜角越大，顆粒的分布體積大小銳減，而顆粒的團聚現(xiàn)象越發(fā)明顯。

(3）當偏心率e3=-0.3時，由圖4-7、4-8、4-9可知，圖4-7、4-8顆粒的體積分布情況較佳，而圖4-9顆粒已從筒體口溢出。模擬結(jié)果分析表明，當偏心率e3=-0.3時，筒體傾斜角越大，顆粒的體積分布情況越好，但是傾斜角大到一定程度，顆粒將從筒體口溢出。而顆粒的團聚現(xiàn)象隨著傾斜角增大越來越不明顯。

4 結(jié) 論

(1)由模擬結(jié)果分析可得，在主軸偏心率為-0.3、筒體傾斜角為15°時，顆粒的體積分布情況最佳，且?guī)缀鯖]有顆粒的團聚現(xiàn)象發(fā)生。

(2)在干法造粒過程中，筒體傾斜角對造粒過程顆粒的體積分布情況與顆粒的團聚現(xiàn)象有很大的影響，適當設(shè)定一定角度的傾斜角有助于顆粒的充分分散。

(3)在干法造粒過程中，主軸偏心率對造粒過程顆粒的體積分布情況與顆粒的團聚現(xiàn)象影響很大，特別是顆粒的團聚現(xiàn)象。

(4)通過數(shù)值模擬優(yōu)化設(shè)計主軸偏心率和筒體傾斜角，在一定程度上得出了最佳組合。能夠很好的解決干法造粒機顆粒的充分分散性問題，使得干法造粒的粉料流動性、強度、堆積密度等物理性能更加符合產(chǎn)業(yè)要求。同時對陶瓷行業(yè)節(jié)能降耗、生態(tài)環(huán)境與產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展等方面具有十分重要的意義。

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Numerical Simulation and Optimized Design of Dry Granulator for Ceramic Materials

WU Nanxing, LIAO Dahai, XIAO Zhifeng
(School of Mechanical and Electronic Engineering, Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403, Jiangxi, China)

:The substitution of dry granulation of the ceramic materials for high energy consumption, high pollution wet milling-spray drying granulation is an inevitable trend in ceramic industry. In order to realize full de-agglomeration in the process of dry granulation, 3D mathematic models based on the Eulerian two-fuid model were developed using the commercial CFD software pack. The volume distribution and agglomeration of the granules are simulated by the models of the major axis eccentricity and the cylinder inclination angle generated via a fnite volume route. Results show that when the eccentricity is -0.3 and the incline angle is 15°, the granules are best dispersed. The optimized design through numerical simulation has virtually realized the full de-agglomeration of the dry granulation. It will provide a theoretical basis for the development of a dry granulator for ceramic materials.

Eulerian two-fuid model; numerical simulation; full de-agglomeration; optimized design

WU Nanxing(1968-),male,Ph.D.,Professor.

TQ174.5

A

1000-2278(2014)01-0082-06

2013-10-25。

2013-10-30。

國家自然科學基金資助（編號：51365018）

吳南星(1968-)，男，博士，教授。

Received date:2013-10-25. Revised date:2013-10-30.

E-mail:wnx1968@163.com